INHIBITION DE LA CORROSION D’UN ACIER AU CARBONE EN MILIEU CHLORIHYDRIQUE PAR DES CATIONS METALLIQUES

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3^ème Conférence Internationale sur

le Soudage, le CND et l’Industrie des Matériaux et Alliages (IC-WNDT-MI’12) Oran du 26 au 28 Novembre 2012.

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INHIBITION DE LA CORROSION D’UN ACIER AU CARBONE EN MILIEU CHLORIHYDRIQUE PAR DES CATIONS METALLIQUES

S. Sebiane^a, F. Kellou^b

Laboratoire d’Electrochimie-Corrosion, Métallurgie et Chimie Minérale Faculté de Chimie BP 32- El Alia Bab Ezzouar 16 111 Alger, Algérie

E- Mail : sebiane.sofiane@gmail.com

Résumé : Nous avons étudié dans ce travail l’effet d’addition de certains composés inorganiques sur le comportement à la corrosion d’un acier au carbone de nuance (X52), dans une solution d’acide chlorhydrique à 10^-1N. L’exécution d’inhibition des cations métalliques tels que Cu²⁺, Fe²⁺, et Al⁺³ dans la gamme de concentration (10^-4 M a 10^-6 M). Le comportement a la corrosion du l’acier au carbone dans l’acide chlorhydrique en présence des cations métalliques à été étudie en utilisant les méthodes électrochimiques. Les résultats obtenus montrent que les composés testés ont un caractère inhibiteur vis-à-vis de la corrosion de l’acier au carbone. Le caractère inhibiteur le plus marqué est obtenu en présence des ions Cu²⁺. Il est constaté que l’effet de l’inhibition est dans la suite Cu²⁺> Al³⁺

>Fe²⁺.

Mots clés : Acier au carbone, Corrosion, inhibition, Cations

métalliques, Acide chlorhydrique.

1. INTRODUCTION

L’acier au carbone a été intensivement employé dans différentes conditions dans les industries de pétrole [1]. Les solutions acides sont parmi les milieux les plus corrosifs. Leurs grandes applications sont les bains de décapages des métaux et le nettoyage des installations industrielles [2], la stimulation des puits de pétrole, l’élimination de dépôts localisés [3,4], etc. La plupart du temps, les acides sulfuriques et chlorhydriques sont utilisés pour tels but [5]. Le problème principal au sujet de l’application du l’acier au carbone est sa résistance à la corrosion relativement basse dans les solutions acides [6]. Du fait de l’agressivité de ces solutions acides, l’utilisation des inhibiteurs de corrosion est devenue indispensable pour limiter l’attaque des matériaux métalliques. Cependant, l’inhibition de la corrosion des métaux à une grande importance technologique [7,8]. De nombreuses études ont été réalisées depuis des années, d’où plusieurs formulations inhibitrices ont été testées pour différents métaux comme le fer pur, l’acier au carbone, l’acier galvanisé, le cuivre, etc.

2. CONDITION EXPRIMENTALES 2.1. Mesures électrochimiques

Le dispositif expérimental utilisé pour le tracé des courbes de polarisation potentiodynamique et pour la réalisation des mesures de résistance de polarisation linéaire est un Potentiostat/Galvanostat PGP 201 piloté par un ordinateur à l’aide du logiciel « VoltaMaster 4 ».

Pour tous les essais électrochimiques nous avons utilisé une cellule électrochimique à trois électrodes reliées à un thermostat à circulation d’eau permettant de maintenir l’électrolyte à la température de travail (20 ± 0.1C°).

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 116 L’électrode de travail est un disque de 0.332 cm² de surface enrobé dans une résine afin d’avoir une surface d’attaque uniforme. L’électrode de référence est une électrode au calomel saturé (ECS) et la contre électrode est en platine placée en face de l’électrode de travail.

La préparation de l’état de surface de l’électrode de travail comporte une abrasion mécanique à l’aide de papier abrasif de granulation (320, 600, 800, 1200) suivie d’un lavage à l’eau distillée.

Avant le tracé de chaque courbe de polarisation, l’électrode de travail est maintenue à son potentiel libre de corrosion (Ecorr) pendant 30 min, temps estimé suffisant pour atteindre l’état stationnaire [13,14,15].

Les courbes intensité-potentiel sont obtenues en mode potentiodynamique et se tracent alors à partir de sens cathodique -0.25 V vers le sens anodique +0.25 V par rapport au potentiel de corrosion avec une vitesse de balayage de 0.5 mV/S [16,17].

3. RESULTATS

3.1. Effet d’addition de Cu²⁺, Fe²⁺et Al³⁺ sur le comportement de l’acier au carbone X52 en milieu acide chlorhydrique

.

3.1.1. Etude comparative : La figure (1) représente les courbes de polarisation relevées dans

une solution d’acide chlorhydrique à 0.1 N sans et avec addition des cations métalliques à 20 °C. Les paramètres électrochimiques sont donnés dans le tableau (1).

Nous remarquons que l’addition des cations Cu²⁺, Fe²⁺ et Al³⁺ à 10^-6 M à pour effet de réduit de manière significative le taux de dissolution de l’acier au carbone.

L’étude comparative de l’effet inhibiteur des cations testés montre que les ions Cu²⁺ présentent la meilleure action inhibitrice aussi bien dans le domaine cathodique que dans le domaine anodique par opposition aux autres cations testé. En effet l’estimation de la vitesse de corrosion par extrapolation de la pente de Tafel indique que la valeur minimale est obtenue par addition des ions Cu²⁺.

Figure1. Courbes de polarisation de l’acier X52 dans HCl à 0.1N sans et avec addition des ions Cu

²⁺

, Fe

²⁺

et Al

³⁺

à 10

^-6

M à 20°C.

Compte tenu des résultats présentés dans le tableau 1, tous les cations métalliques testés ont un caractère inhibiteur et nécessitent une étude détaillée

.

Tableau.1. Paramètres électrochimiques de l’acier X52 dans le milieu témoin sans et avec addition des ions Cu²⁺, Fe²⁺, et Al³⁺ a 10^-6 M à 20°C.

(3)

Milieu C (M) E

_corr

(mV/ECS)

i

_corr

(µA.cm

^-2

)

b

_a

(mV.dec

^-1

)

b

_c

(mV.dec

^-1

)

E %

HCl Témoin -492.90 354.20 69.80 -141.10 /

Cu

²⁺

-465.60 62.20 54.40 -91.10 82.44

Fe

²⁺

-474.40 133.20 60.90 -109.90 62.39

Al

³⁺

-497.00 141.00 65.20 -100.00 60.20

3.1.2. Etude détaillée de l’influence des ions Cu

²⁺

, Fe

²⁺

et Al

³⁺

dans HCl 3.1.2.1. Effet de la variation de la concentration des ions Fe

²⁺

Les courbes de polarisation de l’acier X52 en milieu HCl 0.1N sans et avec l’ajout des ions Fe²⁺, à différentes concentrations à 20°C sont représentées sur la figure (2). Il est clair que l’ajout des ions Fe²⁺ dans la gamme de concentration 10^-6-10^-4 M réduit le taux de dissolution de l’acier au carbone dans 0.1 N HCl. La densité de courant de corrosion, icorr, est diminuée à partir de 354,20µA.cm^-2 pour la solution sans addition des ions Fe²⁺ à 133,20 µA.cm^-2 avec l’ajout de ce dernier et l’efficacité inhibitrice est de l’ordre de 62,39% à la plus faible concentration étudie de Fe²⁺.

Figure2. Courbes de polarisation de l’acier X52 dans HCl à 0.1N sans et avec addition des ions Fe²⁺ à différentes concentrations à 20°C.

A la lumière des résultats présentés dans le tableau (2), nous remarquons que l’efficacité inhibitrice augmente avec la diminution de la concentration de cation métallique Fe²⁺ et atteint une valeur de 62,39% pour une concentration de 10^-6 M.

Tableau .2. Paramètres électrochimiques de la corrosion de l’acier X52 en milieu HCl à 0.1N sans et avec l’ajout des ions Fe²⁺, à différentes concentrations à 20°C.

Milieu Fe

²⁺

C (M/L)

E

_corr

(mV/ECS)

i

_corr

(µA.cm

^-2

)

b

_a

(mV.dec

^-1

)

b

_c

(mV.dec

^-1

)

E %

(4)

Témoin -492.90 354.20 69.80 -141.10 /

HCl 10

^-6

-474.40 133.20 60.90 -109.90 62.39

10

^-5

-482.70 142.60 65.70 -129.10 59.74

10

^-4

-495.40 154.20 70.30 -131.70 56.46

III.1.2.2. Effet de la variation de la concentration des cations Al

³⁺

La figure (3) représente les courbes de polarisation de l’acier X52 dans une solution à 0.1N de HCl sans et avec addition des ions Al³⁺. Les paramètres électrochimiques sont donnés dans le tableau (3). L’examen de cette figure montre que l’allure des courbes de polarisation n’est pas affectée par l’addition des ions Al³⁺.

Figure 3. Courbes de polarisation de l’acier X52 dans HCl à 0.1N sans et avec addition des ions Al³⁺ à différentes concentrations à 20°C.

Il est observé à partir de tableau 4 que les ions Al³⁺ montrent une meilleure performance inhibitrice que les ions Fe²⁺.La densité de courant de corrosion, icorr, est diminuée à partir de 354,20 µA.cm^-2 pour la solution sans ajout des ions Al³⁺ à 109,20 µA.cm^-2 avec l’addition de ces derniers et l’efficacité inhibitrice est de l’ordre de 69,17% à la plus haute concentration étudie en ions Al³⁺.

(5)

Tableau 3. Paramètres électrochimiques de la corrosion de l’acier X52 en milieu HCl à 0.1N sans et avec l’ajout des ions Al³⁺, à différentes concentrations à 20°C.

Milieu Al

³⁺

C (M/L)

E

corr

(mV/ECS)

i

corr

(µA.cm

^-2

)

b

a

(mV.dec

^-1

)

b

c

(mV.dec

^-1

)

E %

Témoin -492.90 354.20 69.80 -141.10 /

HCl 10

^-6

-497.00 141.00 65.20 -100.00 60.20

10

^-5

-478.80 125.90 66.90 -89.30 64.45

10

^-4

-468.10 109.20 56.60 -98.60 69.17

3.1.2.3. Effet de la variation de la concentration des cations Cu²⁺

La figure (4) représente les courbes de polarisation de l’acier X52 relevées dans une solution à 0.1N d’acide clhorihydrique sans et avec addition des ions Cu²⁺. Les paramètres électrochimiques sont donnés dans le tableau (4).

Figure 4. Courbes de polarisation de l’acier X52 dans HCl à 0.1N sans et avec addition des ions Cu²⁺à différentes concentrations à 20°C.

L’addition des ions Cu²⁺ a pour effet d’abaisser les densités de courant de corrosion tout en conservant l’allure générale de la courbe de polarisation dans le milieu témoin.

Il est clair d’après le tableau 6 que les ions Cu²⁺ ont une meilleure efficacité inhibitrice que les ions Fe²⁺et Al³⁺. La densité de courant de corrosion, icorr, est diminuée à partir de 354,20 µA.cm^-2 pour la solution témoin à 62,20 µA.cm^-2 avec addition des ions Cu²⁺ et

l’efficacité inhibitrice est de l’ordre de 82,44% à la plus petite concentration étudie en ions Cu

²⁺

.

Tableau 4. Paramètres électrochimiques de la corrosion de l’acier X52 en milieu HCl à 0.1N sans et avec l’ajout des ions Cu²⁺, à différentes concentrations à 20°C.

Milieu Cu

²⁺

C (M/L)

E

_corr

(mV/ECS)

i

_corr

(µA.cm

^-2

)

b

_a

(mV.dec

^-1

)

b

_c

(mV.dec

^-1

)

E %

(6)

Témoin -492.90 354.20 69.80 -141.10 /

HCl 10

^-6

-465.60 62.20 54.40 -91.10 82.44

10

^-5

-498.60 83.70 68.90 -89.60 76.37

10

^-4

-491.00 89.00 64.50 -120.30 74.90

4. DISCUSSION

L’étude comparative de l’action d’une série de cations métalliques sur la résistance à la corrosion de l’acier au carbone X52 a été réalisée en milieu HCl 0.1N. Les résultats obtenus montrent que l’addition des cations métalliques Cu²⁺, Fe²⁺ et Al³⁺améliorent la résistance à la corrosion de l’acier au carbone. Tous les cations testés ont un caractère inhibiteur vis-à-vis de la corrosion de l’acier X52 et l’étude comparative de l’action inhibitrice des cations testés permet de distinguer les ions Cu²⁺ comme meilleur inhibiteur de toute la série examinée. L’étude détaillée de l’influence des cations Cu²⁺ montre que leur efficacité inhibitrice augmente avec la diminution de la concentration en solution et atteint la valeur maximale de 75.27% pour une concentration de 10^-6M. Ce la peut être interprété que a faible concentration (10^-6M), les ions Cu²⁺ forme un film très mince moins soluble. Néanmoins, pour des concentrations supérieures, le film passif peut perdre son pouvoir protecteur [18,19] ou a la formation des produits solubles qui est du à la réduction des ions Cu²⁺ en cuivre métallique [20] et aussi a leurs déposition qui n’est pas uniforme ou homogène sur la surface du l’acier au carbone [21], la réaction cathodique 2H⁺ + 2é ↔ H2 est catalysé par conséquent activation de la corrosion a lieu. Les ions Fe²⁺

évaluent de la même manière que les ions Cu²⁺. Par contre l’étude détaillée de l’action des ions Al³⁺

montre que leur efficacité inhibitrice augmente avec la concentration en solution et atteint la valeur maximale d’environ 68.93% pour une concentration de 10^-4M, cela peut être expliqué par la couverture de la surface de l’acier au carbone par les ions Al³⁺ qui augmente avec l’augmentation de leur concentration en solution [22].

Cependant, les courbes de polarisation cathodiques en présence et en absence des inhibiteurs se présentent sous forme de droites de Tafel indiquant que la réaction de réduction de l’hydrogène à la surface du l’acier au carbone se fait selon un mécanisme d’activation pure. Ce résultats montre que le mécanisme de réduction du proton n’est pas modifie par l’ajout des cations Cu²⁺, Fe²⁺ et Al³⁺ testés [23,24]. Les courbes de polarisation cathodiques et anodiques montrent que l’addition de ces cations entraîne une diminution des densités de courant cathodiques et anodiques sans modifier la valeur du potentiel de corrosion. Ce résultat met en évidence le caractère mixte des inhibiteurs utilisés.

5. CONCLUSION

Sur la base des résultats et discussion ci-dessus, les conclusions suivantes peuvent être annoncées :

(7)

http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 121 • Touts les cations testés présentent un caractère inhibiteur plus ou moins marqué vis-à-vis de la corrosion de l’acier au carbone (X52) en milieu HCl 0.1N.

• L’étude comparative de l’action de ces cations métalliques montre que les ions Cu²⁺ sont ceux qui ont la meilleure action inhibitrice.

• L’efficacité inhibitrice croit avec la diminution de la concentration des ions Cu²⁺ et atteint une valeur de 82.44% à la plus faible concentration étudie (10^-6M).

• L’ordre de l’effet inhibiteur à été trouvé dans la suite : Cu²⁺>Al³⁺>Fe²⁺.

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